李 明，林慈楷，宋東哲

吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，長春 130118

0 引言

近年來,隨著城市的發(fā)展,波紋鋼板作為一種新型材料結(jié)構(gòu)逐漸應(yīng)用于城市綜合管廊的建設(shè)[1].裝配式鋼制管廊是將預(yù)制波紋鋼板通過高強(qiáng)螺栓連接安裝而成的綜合管廊,其作為一種新的管廊結(jié)構(gòu)形式,已在多個城市管廊建設(shè)中得到應(yīng)用[2-3].波紋鋼板作為一種空間薄殼柔性結(jié)構(gòu),常結(jié)合其他材料用于加固體系[4],當(dāng)其單獨(dú)構(gòu)成廊體結(jié)構(gòu)時,可將豎向荷載通過管壁的微小變形有效地分?jǐn)偟街車馏w,使土體與廊體共同承受荷載,大大提高了結(jié)構(gòu)的承載力[5].與混凝土結(jié)構(gòu)的管廊相比,波紋鋼制管廊的力學(xué)性能與抗震性能更優(yōu)異,同時具有工期短、施工質(zhì)量和安全性高、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn).波紋鋼制管廊雖然單位結(jié)構(gòu)造價會略高于混凝土結(jié)構(gòu),但結(jié)合混凝土結(jié)構(gòu)施工養(yǎng)護(hù)以及后期運(yùn)營維護(hù)成本分析等,鋼制管廊的未來成本要遠(yuǎn)低于混凝土結(jié)構(gòu).

與國外相比,國內(nèi)的波紋鋼制管廊建設(shè)尚處于起步階段,相關(guān)的設(shè)計(jì)施工規(guī)范尚有不足,故有必要對其結(jié)構(gòu)的承載機(jī)理與整體受力性能進(jìn)行研究.國內(nèi)學(xué)者對波紋鋼制管廊的力學(xué)性能研究多數(shù)為單艙的波紋管涵[6-8],對于多艙截面預(yù)制裝配式管廊的力學(xué)性能尚未開展過多研究.波紋鋼制鋼管作為綜合管廊的一種新的結(jié)構(gòu)形式，此裝配式跟混凝土的裝配式存在不同的結(jié)構(gòu)形式與承載機(jī)制，因此本文暫不考慮實(shí)際工程的管廊節(jié)點(diǎn)，此次試驗(yàn)研究只是針對頂板進(jìn)行受力特征分析，后期還會對節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步研究.

本文依托實(shí)際雙艙鋼制管廊工程,通過現(xiàn)場載荷試驗(yàn),測試了管廊頂板截面應(yīng)變以及關(guān)鍵點(diǎn)的位移,研究了裝配式鋼管廊的力學(xué)性能，為今后學(xué)者研究裝配式鋼管廊的受力特征和管廊的施工建設(shè)提供參考.

1 試件材料

1.1 波紋鋼板型號與規(guī)格

波紋鋼板根據(jù)其波形不同可分為4類:淺波、中波、深波和大波.試驗(yàn)中的管廊廊體選取深波型波紋鋼板,波形為400 mm×150 mm(波距×波深),鋼材選用4.5 mm±0.15 mm厚的Q345熱軋型鋼.波紋鋼板兩側(cè)設(shè)置法蘭板,三者為一整體,法蘭板之間通過高強(qiáng)螺栓連接,組裝成鋼管廊,如圖1所示.

圖1 鋼制波紋管廊Fig.1 Corrugated steel

1.2 法蘭板與螺栓的規(guī)格尺寸

法蘭板的材質(zhì)與波紋鋼板一致,厚度為4.5 mm±0.15 mm,寬度略大于鋼板的波深.螺栓孔徑沿著法蘭板均勻布置.螺栓選用鋼結(jié)構(gòu)用大六角頭10.9S的M 24×55高強(qiáng)度螺栓,孔徑按照規(guī)范中大于螺栓直徑小于等于螺栓直徑+2 mm的要求設(shè)置.

法蘭板截面尺寸與孔徑位置如圖2所示,波紋鋼板試件的主要參數(shù)可見表1.

圖2 法蘭板尺寸Fig.2 Size of Flange plate

表1 試件材料參數(shù)Table 1 Main parameters of each part of the test piece

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

地下綜合管廊作為一種淺埋結(jié)構(gòu),大多設(shè)置在機(jī)動車道、道路綠化帶下[9],此時車輛荷載成為控制管廊附加內(nèi)力變化的主要荷載.管廊具有多艙截面,若車輛荷載的位置不同,都會導(dǎo)致管廊的附加應(yīng)力與附加位移呈現(xiàn)不同的分布趨勢.

試驗(yàn)分為靜載與動載兩大部分,充分模擬管廊在運(yùn)營期間車輛?？炕蛐旭傆诠芾雀鞑焕恢脮r,管廊頂板應(yīng)力、位移變化規(guī)律.由于試驗(yàn)環(huán)境的限制，試驗(yàn)采用靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄測區(qū)截面應(yīng)變，對于動載數(shù)據(jù)存在采集困難與誤差，因此試驗(yàn)采集的主要數(shù)據(jù)針對分析靜載工況，對于動載數(shù)據(jù)分析只起輔助對比作用，后期還會對動載的工況進(jìn)行下一步模擬研究并編寫論文.本文通過對運(yùn)營中的多艙鋼管廊進(jìn)行載荷試驗(yàn)研究,可提升波紋鋼結(jié)構(gòu)在綜合管廊中應(yīng)用領(lǐng)域的地位，以及促進(jìn)綜合管廊事業(yè)的發(fā)展.

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)管廊概況

圖3 管廊斷面Fig.3 Pipe corridor section view

試驗(yàn)裝配式鋼管廊位于吉林省長春市試驗(yàn)基地內(nèi),設(shè)有大小兩艙,可分艙收納燃?xì)夤芫€、給排水管線、高壓電線以及通訊電纜等.該管廊最大凈高3.1 m,小艙最大寬度2.1 m,大艙最大寬度為3.1 m,具體尺寸如圖3所示.

該鋼管廊管底設(shè)置基座以及混凝土基礎(chǔ)墊層0.4 m,并再次基礎(chǔ)上進(jìn)行回填,管溝深度6 m,管頂覆土高度為1.2 m，車輛直接停放于覆土之上.

3.2 試驗(yàn)方案

3.2.1 試驗(yàn)加載方案

在實(shí)際工程中,管廊上方的荷載即車輛荷載存在靜止停放和行駛運(yùn)動兩種情況.為使試驗(yàn)具有更高的真實(shí)性,將試驗(yàn)加載分為靜載及動載兩大部分,共計(jì)8種工況.加載車輛對應(yīng)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]定義的滿載6軸貨車,軸重460 kN,轉(zhuǎn)化輪胎接地壓強(qiáng)為2.81 MPa.

動、靜載分別設(shè)置4種工況,見表2,加載示意圖如圖4所示.

表2 試驗(yàn)工況Table 2 Test conditions

工況1通過模擬管廊在兩側(cè)均?？寇囕v的情況下,分析管廊頂板的力學(xué)性能,試圖找出頂板的最大危險(xiǎn)點(diǎn).由于管廊存在多艙,具有不對稱性,因此設(shè)置3種工況(工況2～工況4),系統(tǒng)分析管廊頂板的內(nèi)力分布.通過3種工況的測試,分析了車輛荷載在不同的位置下對管廊頂板變形規(guī)律,并找出最不利的加載位置.

動載試驗(yàn)中,參照城市道路安全法規(guī)定的機(jī)動車在城市道路最高行駛速度,將車速的設(shè)置為50 km/h.工況5～工況8,分析了汽車勻速通過管廊各位置時頂板的受力性能.其中工況5～工況8的行駛位置分別是小艙跨中、中隔墻上方及大艙跨中.

(a) 工況1 (b) 工況2 (c) 工況3

(d) 工況4 (e) 工況5 (f) 工況6

(g) 工況7 (h) 工況8圖4 加載示意圖Fig.4 Schematic of loading

動載試驗(yàn)中,參照城市道路安全法規(guī)定的機(jī)動車在城市道路最高行駛速度,將車速的設(shè)置為50 km/h.工況5～工況8分析了汽車勻速通過管廊各位置時頂板的受力性能，其中工況5～工況8的行駛位置分別是小艙跨中、中隔墻上方及大艙跨中.

3.2.2 試驗(yàn)觀測方案

在管廊試驗(yàn)段中部選定測區(qū),測區(qū)包含3個斷面為1-1(波峰)、2-2(波峰與波谷之間)以及3-3(波谷)，測量內(nèi)容為車輛荷載作用下波紋鋼制管廊的受力特征，其監(jiān)測的應(yīng)變與位移不包含覆土重.各測量點(diǎn)布置內(nèi)容如下:

(1) 頂板與側(cè)板關(guān)鍵點(diǎn)(跨中附近)撓度.

(2) 測區(qū)頂板3個斷面的波紋鋼板應(yīng)變.電子位移計(jì)(P1～P8),鋼板應(yīng)變片(S1-1～S1-30,S2-1～S2-30,S3-1～S3-30)，其中S1-1表示粘貼位置為1-1截面(波峰位置)的第一個應(yīng)變片,其余同理，具體布置位置如圖5，圖6所示.通過靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄測區(qū)的截面應(yīng)變以及關(guān)鍵點(diǎn)的位移.

圖5 位移計(jì)與應(yīng)變片分布Fig.5 Location ofdisplacement gauge and strain gauge

圖6 測區(qū)波紋鋼板斷面應(yīng)變片的位置Fig.6 Location of strain gauge

3.3 數(shù)據(jù)分析

3.3.1 數(shù)據(jù)處理

對試驗(yàn)所測的3個斷面的應(yīng)變求平均值,見表3.將各工況下的SS1～SS30與MS1～MS30(其中SS1為靜載作用下波峰、波中、波谷1-1截面，第一個應(yīng)變片3個求和平均值，MS1動載作用下波峰、波中、波谷1-1截面，第1個應(yīng)變片3個求和平均值，其余同理)作為最終應(yīng)變分析數(shù)據(jù).工況1～工況4,待采集儀數(shù)值穩(wěn)定后,對各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)值進(jìn)行記錄.工況5～工況8的應(yīng)變以及位移值,取車輛通過測試區(qū)時采集儀記錄的各監(jiān)測點(diǎn)最大值.

表3 數(shù)據(jù)處理Table 3 Data processing

3.3.2 位移分析

圖7(a)為車輛雙向布置及行駛時管廊頂板的豎向位移曲線.分析可知,兩者工況下的頂板豎向附加位移分布情況大致相同,最大撓度均出現(xiàn)管廊大艙跨中附近,但是數(shù)值上有所不同,工況5的最大撓度要大于工況1,其增幅達(dá)到16.67 %,說明車輛在行駛過程中會產(chǎn)生附加動應(yīng)力,而對地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加的荷載.最大附加豎向位移為0.71 mm,將波紋板等效成同跨度矩形梁[11]并參照鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范，則該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于矩形梁的極限撓度L/400=7.5 mm,可見，結(jié)構(gòu)具有足夠的安全儲備.

(a)

(b)

(c)

(d)

由圖7(b),7(c),7(d)可知:

(1) 每種工況下最大變形都幾乎發(fā)生在加載位置的正下方,然后向兩邊逐漸遞減

(2) 存在最不利的加載位置,即當(dāng)車輛荷載作用于管廊大艙跨中正上方時,此時大艙跨中的豎向位移達(dá)到最大.

(3) 當(dāng)荷載作用于中隔墻正上方時,管廊兩頂板跨中的附加位移相對較小.

(4) 在車輛動載作用下,管廊產(chǎn)生的豎向位移明顯大于靜載,其增量幅值為靜載作用下的22.83 %～29.32 %.

P1,P8的水平位移在加載過程中度數(shù)幾乎均為0,說明在土體的約束下,豎向荷載對兩個側(cè)板撓度的影響較小.

3.3.3 應(yīng)力分析

由材料力學(xué)可知,在彈性階段其應(yīng)變與應(yīng)力呈線性關(guān)系,為更直觀分析管廊的受力狀態(tài),將各監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)值轉(zhuǎn)化為應(yīng)力進(jìn)行分析.管廊頂板豎向附加應(yīng)力見圖8.

(a)

(b)

(c)

(d)

由圖8(a)可知,在施加荷載后,兩工況下的管廊頂板附加豎向應(yīng)力發(fā)生較大且相似的分布,最大的應(yīng)力斷面均出現(xiàn)在管廊中隔板斷面附近,最大應(yīng)力值為動載作用下的42.89 kPa,但遠(yuǎn)小于鋼材的屈服強(qiáng)度345 MPa,兩艙頂板跨中的應(yīng)力相對較小,可以看出波紋狀鋼制管廊具有較強(qiáng)能量吸收性能,能應(yīng)用于埋深較大的工況,適應(yīng)范圍大.附加應(yīng)力分布不均勻的原因在于,兩艙頂板的剛度相對小于中隔墻頂,當(dāng)發(fā)生適當(dāng)變形,出現(xiàn)了頂部“減荷現(xiàn)象”[12],因而兩艙頂板跨中應(yīng)力較小,中隔墻頂應(yīng)力較集中. 對于預(yù)制裝配式鋼管廊,厚度較薄且存在多個接頭,整體剛度較小,在荷載作用下可能會出現(xiàn)應(yīng)力分配不均勻,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時,要注意其整體應(yīng)力分布狀態(tài),以減少因應(yīng)力集中對廊體造成的損傷.

圖8(b),8(c),8(d)為不同工況下的頂板豎向附加應(yīng)力分布狀況,分析可知:

(1) 在各種工況下應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在中隔墻附近,表明中隔墻與兩頂板的交界處為危險(xiǎn)截面.

(2) 車輛荷載分布在管廊中隔墻正上方時,管廊頂板的附加應(yīng)力分布較均勻.

(3) 車輛動載作用下產(chǎn)生的附加應(yīng)力大于靜載作用,其增幅為靜載作用時的18.12 %～27.12 %.

4 結(jié)論

本文通過實(shí)際載荷試驗(yàn),對預(yù)制裝配式管廊在各工況下進(jìn)行受力性能分析,主要結(jié)論如下:

(1) 車輛最大荷載作用下,管廊頂板的附加豎向應(yīng)力峰值發(fā)生在中隔墻頂板的斷面處,附加豎向位移的峰值發(fā)生在大艙艙的頂板跨中位置.

(2) 最不利加載位置為當(dāng)機(jī)動車荷載布置于管廊大艙跨中正上方,此時大艙跨中豎向位移達(dá)到最大，當(dāng)車輛荷載在中隔墻正上方時,管廊頂部應(yīng)力分布較均勻.

(3) 管廊在車輛動載作用下產(chǎn)生的附加應(yīng)力與位移要大于靜載,以車速為50 km/h為例,其附加位移與應(yīng)力增量幅值約為靜載作用下的22.83 %～29.32 %,18.12 %～27.12 %.

(4) 裝配式鋼管廊截面的剛度對整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布影響較大,在整體結(jié)構(gòu)中,剛度相對較大的部位容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，在整體剛度較小的鋼管廊的施工建設(shè)中,應(yīng)對中隔墻處應(yīng)力分布狀態(tài)給予關(guān)注.

(5) 波紋鋼制管廊不僅具有較好的力學(xué)性能和較高的結(jié)構(gòu)承載力,而且造價低、適用范圍廣,應(yīng)用于城市綜合管廊結(jié)構(gòu)工程有著廣泛的使用前景.